通过一款价格实惠的、支持物联网技术的蒸渗仪来提升精准灌溉技术，从而监测作物的水分需求

《Frontiers in Sustainable Food Systems》：Advancing precision irrigation through an affordable IoT-enabled lysimeter for monitoring crop water requirements

本研究的中文摘要： 本研究开发了一种低成本、物联网支持的称重 lysimeter，用于测量浅根作物蒸散发，实现可持续灌溉管理。系统采用1.38平方米的称重平台和单点负荷传感器，集成多深度土壤湿度和温度传感器及超声波排水监测，数据通过ESP32微控制器上传至云平台。田间测试显示，2022-23年冬季小麦总蒸散发为331.9毫米，精度达R2=0.998，分辨率0.20毫米，总成本约709美元，为传统 lysimeter 提供高性价比替代方案。

　　这项研究开发了一种基于物联网（IoT）技术的低成本称重式蒸渗仪，用于精确测量浅根作物的蒸腾蒸发量（ET_c），从而提升农业灌溉管理的可持续性。蒸渗仪是农业中直接测量作物蒸腾蒸发量和水文平衡参数的重要工具，尤其在水资源日益紧张的背景下，它为提高作物的水分利用效率提供了关键数据支持。然而，传统的蒸渗仪往往存在成本高、操作复杂以及需要定期维护等缺点，限制了其在实际农业中的广泛应用。因此，本研究致力于构建一个兼具高精度、低成本和易操作性的新型蒸渗仪，以满足现代农业对精准水管理的需求。

蒸渗仪的核心原理是通过监测土壤水分变化来推算作物的蒸腾蒸发量。称重式蒸渗仪因其能够直接测量水的增减，从而提供完整的水文平衡信息，被认为是评估蒸腾蒸发量最准确的方法之一。传统的称重式蒸渗仪通常需要复杂的机械结构，例如平衡装置，以抵消仪器自身的重量。然而，近年来随着电子技术、传感器技术以及数据采集系统的进步，越来越多的研究开始采用基于称重传感器的简化设计，以减少设备的复杂性和成本。这种新型蒸渗仪利用高精度的称重传感器和电子数据采集系统，结合物联网技术，实现了远程数据监控和存储，大大提高了数据获取的便捷性和实时性。

本研究中的称重式蒸渗仪采用了一种创新的设计方案，将称重传感器安装在地下，以避免环境温度变化对测量精度的影响。这种设计不仅提高了系统的稳定性，还降低了设备的维护需求。仪器的内筒由高密度聚乙烯（HDPE）制成，尺寸为高度750毫米、直径450毫米，能够容纳作物根系区域的土壤。为了防止雨水进入内筒与外筒之间的空隙，设计了一个倾斜的金属盖板，同时在底部设置了过滤层，以促进排水并防止土壤侵蚀。过滤层由不同粒径的砾石、卵石和粗砂组成，按层次分布，确保水分能够顺利排出。此外，仪器还配备了防水超声波传感器，用于测量排水量，并通过物联网平台实现数据的实时传输。

在硬件配置方面，本系统采用了高精度的称重传感器（1吨负载容量）、土壤湿度传感器（Watermark 200SS）和土壤温度传感器（DS18B20）。这些传感器被安装在内筒的三个不同深度位置，以获取土壤水分和温度的垂直分布信息。通过ESP32微控制器，系统能够实现数据的自动采集和处理，并利用HX711模块将称重传感器的微弱电信号转换为可读的数字信号。为了进一步提升系统的智能化水平，研究团队还集成了一个太阳能供电系统，包括20瓦太阳能板和7安时的12伏电池，以确保设备在无电网条件下的持续运行。此外，系统还配备了Wi-Fi模块，能够将数据上传至ThingSpeak物联网平台，便于远程访问和分析。

在数据处理方面，研究团队采用了基于时间间隔的采集方式，每5分钟记录一次数据，以减少环境因素（如风速变化）对测量结果的干扰。同时，为了提高数据的可靠性，研究团队对采集的数据进行了平滑处理，并剔除了异常值。此外，系统还通过校准确保称重传感器的精度。校准过程使用了已知重量的土壤样本，并结合高精度电子秤进行比对，结果表明该系统的校准精度达到0.998的决定系数（R²），显示出极高的可靠性。这种高精度的测量能力使得该系统能够准确捕捉作物蒸腾蒸发量的变化，为精准灌溉提供科学依据。

在实际应用中，该系统被用于监测小麦作物（品种为HI 1544）的蒸腾蒸发量。实验时间为2022-2023年的冬季，研究团队通过对比实际蒸腾蒸发量与参考蒸腾蒸发量（ET₀），验证了该系统的有效性。参考蒸腾蒸发量是通过Penman-Monteith公式计算得出，该公式结合了太阳辐射、空气温度、相对湿度、风速等气象参数。实验数据显示，实际蒸腾蒸发量（ET_c）与参考蒸腾蒸发量（ET₀）之间存在一定的差异，这反映了作物实际水分消耗与理想条件下水分需求之间的关系。通过分析，研究团队得出小麦的平均蒸腾蒸发量为2.12毫米/天，总蒸腾蒸发量为331.9毫米，与传统研究结果相符。这一数据的准确性和一致性表明，该系统能够为农业实践提供可靠的水文信息。

该系统的另一个显著优势是其低成本。根据研究数据，该称重式蒸渗仪的总成本约为709美元，这比市面上许多商用蒸渗仪的成本低得多。例如，一些大型商用系统的价格可达2万美元以上，而一些小型系统的价格也在500美元左右。相比之下，本研究中的系统不仅具备高精度的测量能力，还能够通过物联网平台实现远程监控和数据存储，大大提升了其实用性和可推广性。这种经济性使得该设备能够被更多农业研究者和农民采用，从而推动水资源的高效利用。

此外，该系统在安装过程中也采取了多种措施以确保其长期稳定运行。例如，内筒与外筒之间的空隙被设计为10毫米，以防止土壤结构的破坏；同时，系统采用防水材料和防尘罩保护传感器免受外界环境影响。安装时，研究人员还特别注意了土壤的分层回填，以保持其原有的物理特性。这种细致的安装流程确保了系统在实际田间环境中的数据准确性。同时，系统配备了自动排水功能，当排水量超过预设阈值时，内部的微型水泵会自动将水排出，避免积水影响测量精度。

从实验结果来看，该系统在多个方面表现出色。首先，其测量精度高，能够准确捕捉到0.2毫米级别的水分变化。其次，系统的响应速度快，能够在短时间内稳定地记录重量变化。此外，系统在运行过程中表现出良好的耐久性，即使在连续的阴天或雨天，也能通过太阳能供电和电池备份维持正常工作。这些特性使得该系统不仅适用于实验室环境，还能够在田间长期运行，为农业生产提供持续的水文数据支持。

研究团队还对系统的功能进行了全面评估。通过分析不同日期的测量数据，系统能够准确计算作物的蒸腾蒸发量，并与参考蒸腾蒸发量进行对比。例如，在1月26日和27日的实验中，系统记录的蒸腾蒸发量分别为1.86毫米和1.51毫米，而参考蒸腾蒸发量分别为1.62毫米和1.31毫米。这种高度一致的测量结果表明，该系统能够准确反映作物的实际水分消耗情况。同时，系统还能够记录降雨量、排水量等其他水文参数，为综合水管理提供支持。

从生态和农业可持续性的角度来看，该系统的开发具有重要的现实意义。在水资源日益紧张的背景下，精准灌溉技术是提高农业用水效率的关键手段。通过实时监测作物的蒸腾蒸发量，农民可以更科学地安排灌溉时间和水量，避免过度灌溉造成的水资源浪费。此外，该系统还能帮助研究者分析不同作物在不同环境条件下的水分需求，为农业政策制定和水资源管理提供数据支持。这种精准的数据采集和分析能力有助于实现农业生产的智能化和可持续化。

总的来说，这项研究展示了一种新型称重式蒸渗仪的设计和应用，该系统结合了物联网技术、高精度传感器和低成本材料，为农业水管理提供了一种经济、实用且高效的解决方案。通过实际田间测试，系统不仅在测量精度上表现出色，还在运行稳定性和数据处理能力方面得到了验证。这一成果为未来的农业研究和实践提供了新的思路，同时也为全球范围内水资源管理的智能化发展贡献了积极的力量。